ポンプ保護部品は、ポンプを砂から保護し、非在来型油井におけるESPの稼働寿命を延ばすことが実証されています。このソリューションは、過負荷やダウンタイムの原因となるフラックサンドやその他の固形物の逆流を制御します。この技術により、粒度分布の不確実性に関連する問題が解消されます。
ますます多くの油井がESPに依存するようになるにつれて、電気式水中ポンプ（ESP）システムの寿命を延ばすことがますます重要になってきています。人工揚水ポンプの運転寿命と性能は、生産流体中の固形物に影響を受けます。固形粒子の増加に伴い、ESPの運転寿命と性能は著しく低下しました。さらに、固形物は、ESPの交換に必要な油井のダウンタイムとワークオーバーの頻度を増加させます。
人工揚水ポンプを通過する固体粒子には、地層砂、水圧破砕用プロパント、セメント、侵食または腐食した金属粒子などがあります。固体を分離するために設計されたダウンホール技術は、低効率のサイクロンから高効率の3Dステンレス鋼ワイヤーメッシュまで多岐にわたります。ダウンホール渦流分離装置は、数十年にわたり従来型の油井で使用されており、主に生産中にポンプを大きな粒子から保護するために使用されています。しかし、非従来型の油井では断続的なスラグ流が発生するため、既存のダウンホール渦流分離技術は断続的にしか機能しません。
ESPを保護するために、砂制御スクリーンとダウンホール渦流式デサンダーを組み合わせたさまざまなバリエーションが提案されています。しかし、各井戸で生成される固形物のサイズ分布と体積の不確実性により、すべてのポンプの保護と生産性能にギャップがあります。不確実性により砂制御コンポーネントの長さが長くなり、ESPを設置できる深度が短くなり、ESPの貯留層減衰の可能性が制限され、井戸の経済性に悪影響を及ぼします。非在来型井戸では、より深い設置深度が好まれます。しかし、ドッグレッグの厳しさが高いケーシングセクションで長くて硬い砂制御アセンブリを吊り下げるためにデサンダーとオスプラグ泥水アンカーを使用すると、ESP MTBFの改善が制限されます。内管の腐食は、この設計のもう1つの側面ですが、十分に評価されていません。
2005年の論文の著者らは、サイクロン作用と重力に依存するサイクロンチューブ（図1）に基づくダウンホール砂分離器の実験結果を発表し、分離効率が油の粘度、流量、および粒子サイズに依存することを示した。彼らは、分離器の効率が粒子の終端速度に大きく依存することを示した。分離効率は、流量の減少、固体粒子サイズの減少、および油の粘度の増加とともに低下する（図2）。典型的なサイクロンチューブダウンホール分離器の場合、粒子サイズが約100 µmまで低下すると、分離効率は約10%まで低下する。さらに、流量が増加すると、渦流分離器は侵食摩耗を受け、構造部品の使用寿命に影響を与える。
次に論理的に考えられるのは、スロット幅が定義された 2D 砂制御スクリーンを使用することです。従来型または非従来型の油井生産で固形物をろ過するスクリーンを選択する際には、粒子サイズと分布が重要な考慮事項となりますが、これらは不明な場合があります。固形物は貯留層から発生する可能性がありますが、ヒールごとに異なる場合があります。あるいは、スクリーンは水圧破砕による砂をろ過する必要があるかもしれません。いずれの場合も、固形物の収集、分析、およびテストのコストは法外なものになる可能性があります。
2D チュービングスクリーンが適切に構成されていない場合、その結果は油井の経済性を損なう可能性があります。砂スクリーンの開口部が小さすぎると、早期の目詰まり、操業停止、および修復作業の必要性が生じる可能性があります。開口部が大きすぎると、固形物が生産プロセスに自由に流入し、石油パイプの腐食、人工揚水ポンプの損傷、表面チョークの洗浄、表面分離器の充填を引き起こし、サンドブラストと廃棄が必要になります。このような状況では、ポンプの寿命を延ばし、幅広い砂のサイズ分布に対応できる、シンプルで費用対効果の高いソリューションが必要です。
このニーズを満たすために、生成される固形物の分布に影響されないステンレス鋼ワイヤーメッシュと組み合わせたバルブアセンブリの使用に関する研究が行われました。研究によると、可変孔径と3D構造を持つステンレス鋼ワイヤーメッシュは、生成される固形物の粒度分布を知らなくても、さまざまなサイズの固形物を効果的に制御できることが示されています。3Dステンレス鋼ワイヤーメッシュは、追加の二次ろ過を必要とせずに、あらゆるサイズの砂粒を効果的に制御できます。
スクリーンの底部に取り付けられたバルブアセンブリにより、ESPが引き抜かれるまで生産を継続できます。これにより、スクリーンが詰まった直後にESPが引き抜かれるのを防ぎます。結果として得られる入口砂制御スクリーンとバルブアセンブリは、流体の流れを浄化することで、生産中にESP、ロッドリフトポンプ、ガスリフト設備を固形物から保護し、さまざまな状況に合わせて貯留層の特性を調整することなく、ポンプの寿命を延ばすための費用対効果の高いソリューションを提供します。
第一世代のポンプ保護設計。生産中にESPを固形物から保護するために、カナダ西部の蒸気補助重力排水井にステンレス鋼ウールスクリーンを使用したポンプ保護アセンブリが設置されました。スクリーンは、生産流体が生産ストリングに入るときに有害な固形物をろ過します。生産ストリング内では、流体はESP入口に流れ、そこで地上にポンプで送られます。スクリーンとESPの間にパッカーを配置することで、生産ゾーンと上部坑井の間をゾーンごとに隔離できます。
生産時間中に、スクリーンとケーシングの間の環状空間に砂が橋渡しされ、流れ抵抗が増加します。最終的に、環状空間は完全に橋渡しされ、流れが停止し、図 3 に示すように、坑井と生産ス​​トリングの間に圧力差が生じます。この時点で、流体は ESP に流れることができなくなり、完成ストリングを引き抜く必要があります。固形物生産に関連する多くの変数に応じて、スクリーン上の固形物ブリッジを通過する流れを停止するのに必要な時間は、ESP が固形物を含む流体を地上にポンプで送ることができる時間よりも短い場合があるため、第 2 世代のコンポーネントが開発されました。
第2世代のポンプ保護アセンブリ。図4に示すように、非従来型のESP完成例であるREDA*ポンプの下に、PumpGuard*入口砂制御スクリーンとバルブアセンブリシステムが吊り下げられています。坑井が生産を開始すると、スクリーンは生産中の固形物をろ過しますが、砂と徐々に橋渡しして圧力差を生じ始めます。この差圧がバルブの設定された開弁圧力に達すると、バルブが開き、流体がチュービングストリングを通ってESPに直接流れ込みます。この流れにより、スクリーンの両端の圧力差が均等になり、スクリーンの外側の砂袋のグリップが緩みます。砂は環状部から自由に脱出し、スクリーンを通る流れ抵抗が減少し、流れが再開します。差圧が低下すると、バルブは閉じた位置に戻り、通常の流れの状態が再開します。ESPを整備のために坑井から引き抜く必要が生じるまで、このサイクルを繰り返します。この記事で紹介した事例研究は、このシステムがスクリーニング完成​​のみを実行する場合と比較して、ポンプの寿命を大幅に延ばすことができることを示しています。
今回の設置では、ステンレス鋼ワイヤーメッシュとESP間の領域分離のために、コスト重視のソリューションが導入されました。スクリーンセクションの上には、下向きのカップパッカーが取り付けられています。カップパッカーの上部には、追加のセンターチューブ穿孔があり、生産された流体がスクリーン内部からパッカー上部の環状空間へ移動するための流路を提供し、そこで流体はESPの入口に入ることができます。
このソリューションに選ばれたステンレス鋼ワイヤーメッシュフィルターは、ギャップベースの2Dメッシュタイプに比べていくつかの利点があります。2Dフィルターは、主にフィルターのギャップまたはスロットをまたぐ粒子を利用して砂袋を形成し、砂の制御を行います。しかし、スクリーンには単一のギャップ値しか選択できないため、スクリーンは生成される流体の粒子サイズ分布に非常に敏感になります。
対照的に、ステンレス鋼ワイヤーメッシュフィルターの厚いメッシュ層は、生産された坑井流体に対して高い多孔性（92%）と広い開口面積（40%）を提供します。このフィルターは、ステンレス鋼フリースメッシュを圧縮し、穿孔された中心チューブに直接巻き付け、両端で中心チューブに溶接された穿孔保護カバーで覆うことで構築されます。メッシュ層の細孔分布と不均一な角度方向（15 µm～600 µm）により、より大きな有害な粒子がメッシュ内に捕捉された後、無害な微粒子は3D流路に沿って中心チューブに向かって流れます。このふるいのサンプルに対する砂保持試験では、流体がふるいを通して生成されるため、フィルターが高い透過性を維持することが実証されました。事実上、この単一の「サイズ」フィルターは、遭遇する生産流体のすべての粒子サイズ分布に対応できます。このステンレス鋼ウールスクリーンは、1980年代に大手オペレーターによって、蒸気中の自己完結型スクリーン完成のために特別に開発されました。刺激された貯留層を扱っており、設置成功の実績が豊富です。
バルブアセンブリは、生産エリアからチュービングストリングへの一方向の流れを可能にするスプリング式バルブで構成されています。設置前にコイルばねの予圧を調整することで、バルブをカスタマイズして、用途に応じた所望のクラッキング圧力を実現できます。通常、バルブはステンレス鋼ワイヤーメッシュの下に配置され、貯水池とESP間の二次流路を提供します。場合によっては、複数のバルブとステンレス鋼メッシュが直列に接続され、中央のバルブは最下部のバルブよりも低いクラッキング圧力になります。
時間の経過とともに、地層粒子がポンプ保護アセンブリスクリーンの外表面と生産ケーシングの壁の間の環状領域を埋めます。空洞が砂で満たされ、粒子が固まるにつれて、砂袋の両端の圧力降下が増加します。この圧力降下が所定の値に達すると、コーンバルブが開き、ポンプ入口を直接通過します。この段階では、パイプを通る流れによって、スクリーンフィルターの外側に沿って以前に固まった砂が砕けます。圧力差が小さくなるため、流れはスクリーンを通って再開し、吸込バルブが閉じます。したがって、ポンプは短時間だけバルブから直接流れを見ることができます。流れの大部分は砂スクリーンを通して濾過された流体であるため、これによりポンプの寿命が延びます。
ポンプ保護システムは、米国デラウェア盆地の 3 つの異なる油井でパッカーとともに運用されました。主な目的は、砂による過負荷による ESP の起動と停止の回数を減らし、ESP の稼働率を高めて生産性を向上させることです。ポンプ保護システムは、ESP ストリングの下端から吊り下げられています。油井の結果は、安定したポンプ性能、振動と電流強度の低減、およびポンプ保護技術を示しています。新しいシステムを導入した後、砂と固形物に関連するダウンタイムは 75% 削減され、ポンプ寿命は 22% 以上増加しました。
テキサス州マーティン郡の新しい掘削および破砕井にESPシステムが設置されました。井戸の垂直部分は約9,000フィート、水平部分は測定深度（MD）で12,000フィートまで伸びています。最初の2回の完成では、6つのライナー接続を備えたダウンホール渦流砂分離システムがESP完成の不可欠な部分として設置されました。同じタイプの砂分離器を使用した2回の連続設置で、ESPの動作パラメータ（電流強度と振動）の不安定な挙動が観察されました。引き抜かれたESPユニットの分解分析により、渦流ガス分離アセンブリが異物で詰まっていることが明らかになりました。異物は非磁性で酸と化学反応しないため、砂であると判断されました。
3番目のESP設置では、ESPの砂制御手段として、砂分離器の代わりにステンレス鋼ワイヤーメッシュが使用されました。新しいポンプ保護システムを設置した後、ESPはより安定した動作を示し、モーター電流の変動範囲は、設置#2の約19Aから設置#3の約6.3Aに減少しました。振動はより安定し、傾向は75%減少しました。圧力損失も安定しており、以前の設置と比較して変動が非常に少なく、圧力損失がさらに100psi増加しました。ESPの過負荷による停止は100%減少し、ESPは低振動で動作します。
B井。ニューメキシコ州ユーニス近郊の1つの井戸では、別の非在来型井戸にESPが設置されていましたが、ポンプ保護はありませんでした。最初のブートドロップ後、ESPは不安定な動作を示し始めました。電流と圧力の変動は振動スパイクに関連しています。これらの状態が137日間続いた後、ESPが故障し、交換品が設置されました。2回目の設置には、同じESP構成の新しいポンプ保護システムが含まれています。井戸の生産が再開された後、ESPは安定した電流と少ない振動で正常に動作しました。出版時点で、2回目のESPの稼働は300日を超え、以前の設置よりも大幅に改善されています。
C井。このシステムの3番目の現場設置は、テキサス州メントンで、砂の産出による停止やESPの故障を経験し、ポンプの稼働時間を改善したいと考えていた石油・ガス専門会社によって行われました。オペレーターは通常、各ESP井戸でライナー付きのダウンホール砂分離器を稼働させます。しかし、ライナーが砂で満たされると、分離器は砂がポンプセクションを通過することを許容し、ポンプステージ、ベアリング、シャフトを腐食させ、揚水量の減少につながります。ポンププロテクターを備えた新しいシステムを稼働させた後、ESPの稼働寿命は22%長くなり、圧力降下がより安定し、ESP関連の稼働時間が向上しました。
運転中の砂や固形物に関連する停止回数は、最初の設置における8回の過負荷事象から2回目の設置における2回へと75%減少し、過負荷停止後の再起動成功回数は、最初の設置における8回から30%増加しました。合計12回の事象が2回目の設置で実施され、合計8回の事象が発生しました。これにより、機器への電気的ストレスが軽減され、電気集塵機の運転寿命が延びました。
図5は、ステンレス鋼メッシュが詰まり、バルブアセンブリが開いたときに、吸込圧力の波形（青色）が急激に上昇する様子を示しています。この圧力波形は、砂に関連するESPの故障を予測することで生産効率をさらに向上させ、ワークオーバーリグを使用した交換作業を計画することができます。
1 Martins, JA、ES Rosa、S. Robson、「ダウンホールデサンダー装置としての旋回管の実験的解析」、SPE Paper 94673-MS、SPEラテンアメリカおよびカリブ海石油工学会議にて発表、ブラジル、リオデジャネイロ、2005年6月20日～2月23日。https://doi.org/10.2118/94673-MS。
この記事には、2021年11月15日から18日にアラブ首長国連邦のアブダビで開催されたアブダビ国際石油展示会・会議で発表されたSPE論文207926-MSの内容が含まれています。
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